Name: DREAMインプラント:頭部固定マウスと自由行動マウスの慢性電気生理学のための軽量でモジュール式で費用対効果の高いインプラントシステム (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2024-07-26T14:10:00.000+00:00
Duration: 8 min 42 s
Description: 学ぶ軽量モジュール式インプラントシステムを用いたマウスとマカクの慢性電気生理学。自然行動中の神経活動記録により意思決定の神経メカニズムを解明し、行動神経科学の研究を支援します。

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この研究は、オランダ研究評議会(NWO;Crossover Program 17619 "INTENSE", TS) の助成金契約第 600925 号 (Neuroseeker, TS, FB, PT) に基づく欧州連合の第 7 次フレームワーク プログラム (FP7/2007-2013) およびマックス プランク ソサエティから資金提供を受けています。

マウスの電気生理学のための費用対効果が高く、汎用性の高いプローブインプラントシステム

<ol><li>Epsztein, J., Brecht, M., Lee, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intracellular+determinants+of+hippocampal+CA1+place+and+silent+cell+activity+in+a+novel+environment%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Intracellular determinants of hippocampal CA1 place and silent cell activity in a novel environment.</a> Neuron. 70 (1), 109-120 (2011).</li>
<li>Okun, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Diverse+coupling+of+neurons+to+populations+in+sensory+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Diverse coupling of neurons to populations in sensory cortex.</a> Nature. 521 (7553), 511-515 (2015).</li>
<li>Jun, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fully+integrated+silicon+probes+for+high-density+recording+of+neural+activity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Fully integrated silicon probes for high-density recording of neural activity.</a> Nature. 551 (7679), 232-236 (2017).</li>
<li>Znamenskiy, P., Kim, M. -H., Muir, D. R., Iacaruso, M. F., Hofer, S. B., Mrsic-Flogel, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+specificity+of+recurrent+inhibition+in+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Functional specificity of recurrent inhibition in visual cortex.</a> Neuron. 112 (6), 991-1000 (2024).</li>
<li>Rowland, J. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Propagation+of+activity+through+the+cortical+hierarchy+and+perception+are+determined+by+neural+variability%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Propagation of activity through the cortical hierarchy and perception are determined by neural variability.</a> Nat Neurosci. 26 (9), 1584-1594 (2023).</li>
<li>Roth, M. M., Dahmen, J. C., Muir, D. R., Imhof, F., Martini, F. J., Hofer, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thalamic+nuclei+convey+diverse+contextual+information+to+layer+1+of+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Thalamic nuclei convey diverse contextual information to layer 1 of visual cortex.</a> Nat Neurosci. 19 (2), 299-307 (2016).</li>
<li>Zong, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+two-photon+calcium+imaging+in+freely+moving+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Cell%22%5BJournal%5D)">Large-scale two-photon calcium imaging in freely moving mice.</a> Cell. 185 (7), 1240-1256 (2022).</li>
<li>Demas, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed%2C+cortex-wide+volumetric+recording+of+neuroactivity+at+cellular+resolution+using+light+beads+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Methods%22%5BJournal%5D)">High-speed, cortex-wide volumetric recording of neuroactivity at cellular resolution using light beads microscopy.</a> Nat Methods. 18 (9), 1103-1111 (2021).</li>
<li>Buzsáki, G., Anastassiou, C. A., Koch, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+origin+of+extracellular+fields+and+currents+EEG%2C+ECoG%2C+LFP+and+spikes%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Rev+Neurosci%22%5BJournal%5D)">The origin of extracellular fields and currents EEG, ECoG, LFP and spikes.</a> Nat Rev Neurosci. 13 (6), 407-420 (2012).</li>
<li>Polikov, V. S., Tresco, P. A., Reichert, W. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Response+of+brain+tissue+to+chronically+implanted+neural+electrodes%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">Response of brain tissue to chronically implanted neural electrodes.</a> J Neurosci Methods. 148 (1), 1-18 (2005).</li>
<li>Savya, S. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vivo+spatiotemporal+dynamics+of+astrocyte+reactivity+following+neural+electrode+implantation%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">In vivo spatiotemporal dynamics of astrocyte reactivity following neural electrode implantation.</a> Biomaterials. 289, 121784(2022).</li>
<li>Perge, J. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Intra-day+signal+instabilities+affect+decoding+performance+in+an+intracortical+neural+interface+system%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Intra-day signal instabilities affect decoding performance in an intracortical neural interface system.</a> J Neural Eng. 10 (3), 036004(2013).</li>
<li>Pachitariu, M., Steinmetz, N., Kadir, S., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Kilosort%3A+realtime+spike-sorting+for+extracellular+electrophysiology+with+hundreds+of+channels%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Kilosort: realtime spike-sorting for extracellular electrophysiology with hundreds of channels.</a> bioRxiv. , 061481(2016).</li>
<li>Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-scale+recording+of+neuronal+ensembles%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Large-scale recording of neuronal ensembles.</a> Nat Neurosci. 7 (5), 446-451 (2004).</li>
<li>Kloosterman, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+Drive+fabrication%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: Drive fabrication.</a> J Vis Exp. (26), e1094(2009).</li>
<li>Jacobs, T., Darch, H., Holtzman, T., De Zeeuw, C. I., Romano, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Standard+operating+protocol%3A+Implantation+of+Cambrige+NeuroTech+chronic+silicon+probe+and+mini-amp-64+digital+headstage+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Protocol+Exchange%22%5BJournal%5D)">Standard operating protocol: Implantation of Cambrige NeuroTech chronic silicon probe and mini-amp-64 digital headstage in mice.</a> Protocol Exchange. , (2023).</li>
<li>Juavinett, A. L., Bekheet, G., Churchland, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Kozai, T. D. Y., Jaquins-Gerstl, A. S., Vazquez, A. L., Michael, A. C., Cui, X. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brain+tissue+responses+to+neural+implants+impact+signal+sensitivity+and+intervention+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Chem+Neurosci%22%5BJournal%5D)">Brain tissue responses to neural implants impact signal sensitivity and intervention strategies.</a> ACS Chem Neurosci. 6 (1), 48-67 (2015).</li>
<li>Nguyen, D. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+array+for+chronic+in+vivo+recording%3A+tetrode+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22J+Vis+Exp%22%5BJournal%5D)">Micro-drive array for chronic in vivo recording: tetrode assembly.</a> J Vis Exp. (26), e1098(2009).</li>
<li>Biran, R., Martin, D. C., Tresco, P. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Neuronal+cell+loss+accompanies+the+brain+tissue+response+to+chronically+implanted+silicon+microelectrode+arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Exp+Neurol%22%5BJournal%5D)">Neuronal cell loss accompanies the brain tissue response to chronically implanted silicon microelectrode arrays.</a> Exp Neurol. 195 (1), 115-126 (2005).</li>
<li>Vöröslakos, M., Petersen, P. C., Vöröslakos, B., Buzsáki, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal+microdrive+and+head+cap+system+for+silicon+probe+recovery+in+freely+moving+rodent%5BTitle%5D)+AND+%22eLife%22%5BJournal%5D)">Metal microdrive and head cap system for silicon probe recovery in freely moving rodent.</a> eLife. 10, e65859(2021).</li>
<li>IMEC Neuropixels 1.0 User Manual V1.0.8. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf">https://www.neuropixels.org/_files/ugd/328966_ca209d53ffb346b3bf98be39b903efa9.pdf</a> (2023).</li>
<li>Baranauskas, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Carbon+nanotube+composite+coating+of+neural+microelectrodes+preferentially+improves+the+multiunit+signal-to-noise+ratio%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neural+Eng%22%5BJournal%5D)">Carbon nanotube composite coating of neural microelectrodes preferentially improves the multiunit signal-to-noise ratio.</a> J Neural Eng. 8 (6), 066013(2011).</li>
<li>Niell, C. M., Stryker, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modulation+of+visual+responses+by+behavioral+state+in+mouse+visual+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22Neuron%22%5BJournal%5D)">Modulation of visual responses by behavioral state in mouse visual cortex.</a> Neuron. 65 (4), 472-479 (2010).</li>
<li>Okun, M., Carandini, M., Harris, K. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long+term+recordings+with+immobile+silicon+probes+in+the+mouse+cortex%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Long term recordings with immobile silicon probes in the mouse cortex.</a> bioRxiv. , (2015).</li>
<li>Chung, J., Sharif, F., Jung, D., Kim, S., Royer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Micro-drive+and+headgear+for+chronic+implant+and+recovery+of+optoelectronic+probes%5BTitle%5D)+AND+%22Sci+Rep%22%5BJournal%5D)">Micro-drive and headgear for chronic implant and recovery of optoelectronic probes.</a> Sci Rep. 7 (1), 2773(2017).</li>
<li>Bimbard, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+adaptable%2C+reusable%2C+and+light+implant+for+chronic+Neuropixels+probes%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">An adaptable, reusable, and light implant for chronic Neuropixels probes.</a> bioRxiv. , (2024).</li>
<li>Jones, E. A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Chronic+recoverable+Neuropixels+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22protocols.io%22%5BJournal%5D)">Chronic recoverable Neuropixels in mice.</a> protocols.io. , (2023).</li>
<li>Neuronexus Products - dDrive. , Available from: 
 <a target="_blank" href="https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/">https://www.neuronexus.com/products/accessories/microdrives/ddrive/</a> (2024).</li>
<li>van Daal, R. J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Implantation+of+Neuropixels+probes+for+chronic+recording+of+neuronal+activity+in+freely+behaving+mice+and+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Nat+Protoc%22%5BJournal%5D)">Implantation of Neuropixels probes for chronic recording of neuronal activity in freely behaving mice and rats.</a> Nat Protoc. 16 (7), 3322-3347 (2021).</li>
<li>Guo, Z. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Procedures+for+behavioral+experiments+in+head-fixed+mice%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+One%22%5BJournal%5D)">Procedures for behavioral experiments in head-fixed mice.</a> PLoS One. 9 (2), e88678(2014).</li>
<li>Groblewski, P. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+standardized+head-fixation+system+for+performing+large-scale%2C+in+vivo+physiological+recordings+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22J+Neurosci+Methods%22%5BJournal%5D)">A standardized head-fixation system for performing large-scale, in vivo physiological recordings in mice.</a> J Neurosci Methods. 346, 108922(2020).</li>
<li>Vasilev, D., Raposo, I., Totah, N. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Brightness+illusions+evoke+pupil+constriction+preceded+by+a+primary+visual+cortex+response+in+rats%5BTitle%5D)+AND+%22Cereb+Cortex%22%5BJournal%5D)">Brightness illusions evoke pupil constriction preceded by a primary visual cortex response in rats.</a> Cereb Cortex. 33 (12), 7952-7959 (2023).</li>
</ol>

TS、AN、MNH は、このプロトコルで使用されるオープンソースのマイクロドライブとファラデークラウンを製造している 3Dneuro B.V. の共同設立者です。FBとPTは、33Dneuro B.V.の科学諮問委員会の一部です。FBとPTは、このポジションに対して金銭的な報酬を受け取っていません。

この原稿では、プローブを迅速、安全、かつ標準化された移植するためのプロトコルを示しており、これにより、実験終了時のプローブの回収と再利用も可能になります。このアプローチでは、インプラントコンポーネントのモジュラーシステム、特にすべての一般的なシリコンプローブおよび記録システムと互換性のあるマイクロドライブ、頭部固定行動実験に使用できるヘッドプレート、およびインプラントを保護するためのウェアラブルファラデーケージを利用します。このコンステレーションにより、ユーザーは、ヘッド固定型と自由に動く動作、インプラントの小型化(ファラデーケージなし)と長期的な信号ロバスト性の向上(ファラデーケージ付き)など、さまざまな実験パラダイムにインプラントを柔軟に適応させることができます。
このアプローチにより、慢性電気生理学的記録の標準化が進み(手作業による組み立てを必要としないプレハブの要素を使用)、コストが削減され(プローブの回収が可能)、時間がかからず(手術手順が簡素化される)、動物の福祉や行動との互換性が容易になります(インプラントサイズの縮小とストレスフリーな頭部固定による)。そのため、このプロトコルは、行動するげっ歯類の電気生理学的インプラントを、この分野の最先端にいる先駆的な研究室を超えて、より幅広い研究者が達成できるようにすることを目的としています。
この目的を達成するために、ここで紹介するプロトコルは、マイクロドライブインプラントのいくつかのしばしば等しく重要な側面、すなわち柔軟性、モジュール性、インプラントの容易さ、安定性、全体的なコスト、挙動との互換性、およびプローブの再利用性との間のトレードオフを最小限に抑えます。現在、利用可能なアプローチは、多くの場合、これらの側面の一部で優れていますが、他の機能には大きなコストがかかります。例えば、長期間にわたる絶対的なインプラント安定性を要求するユースケースの場合、最良のインプラントアプローチは、プローブを直接頭蓋骨25にセメントで固めることであり得る。しかし、これによりプローブの再利用が妨げられるだけでなく、記録品質が悪い場合に記録部位の再配置が妨げられ、標準化されたインプラント埋入とは互換性がありません。同様に、AMIEドライブは、プローブの回復可能な埋め込みのための軽量で低コストのソリューションを提供する一方で、単一のプローブに限定され、ターゲット座標17の配置に制限される。スペクトルの対極にあるいくつかの市販のナノドライブ(表1 16,17,21,26,27,28,29,30を参照)は、非常に小さく、頭蓋骨に自由に配置でき、単一の動物に埋め込むことができるプローブの数を最大化する16.しかし、他のソリューションに比べて高価であり、インプラント手術を成功させるためには実験者に高いスキルが必要であり、プローブの再利用が禁止されています。Vöröslakosらによって開発されたマイクロドライブ21は、このプロトコルの一部でもある軽量バージョンで、使いやすさ、低価格、プローブの再利用性を向上させるために、小さなインプラントサイズを犠牲にしています
表1:げっ歯類の慢性プローブインプラントの一般的な戦略の比較。可用性:マイクロドライブがオープンソース(研究者が自分で構築する)であるか、市販されているか、またはその両方であるか。 モジュール性:統合システムは、互いに固定された関係にある1つまたは少数のコンポーネントで構成されていますが、モジュラーシステムでは、インプラントの製造後(手術時など)に、保護(ヘッドギア/ファラデーケージ)に対してプローブ/マイクロドライブを自由に配置できます。モジュール性は、リストされたインプラントの公開された情報または移植プロトコルから決定されました。 ヘッドフィックス: はい:インプラントには、その設計に統合された頭部固定のメカニズムがあります、 X: インプラントは、大きな問題なしに固定用の追加のヘッドプレートを追加するためにスペースを残します、 いいえ:インプラントの設計は、スペースの問題を引き起こすか、頭部固定で使用するために大幅な設計変更を必要とする可能性があります。 プローブの配置: 制限付き:インプラント設計段階では、プローブの位置は制限されています。 柔軟性:手術中でもプローブの位置を調整できます。 Number of probes: 埋め込むことができるプローブの数。マウスに>2プローブを埋め込むことは、選択したインプラントシステムとは無関係に重大な課題をもたらすことに注意してください。 プローブの再利用性:はい、理論的にはプローブを再利用できる場合。 重量/サイズ:インプラントの重量とかさばり。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%201.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
これらの異なる要件をよりシームレスに調和させるシステムを作成するために、DREAMインプラントはVöröslakosインプラント21に基づいて設計されましたが、いくつかの基本的な変更が加えられています。まず、インプラント全体の重量を減らすために、ここで使用されているマイクロドライブは3Dプリントされたステンレス鋼ではなく機械加工されたアルミニウムで製造され、ファラデークラウンは小型化され、ヘッドプレートの材質の選択に応じて1.2〜1.4gの全体的な重量削減が達成されています(表2を参照)。次に、マイクロドライブを囲むヘッドプレートは、ファラデーケージのベースとしても機能し、ニューロン記録のほとんどの潜在的なターゲット領域へのアクセスを可能にし、インプラントに最小限の重量を追加するだけで、迅速でストレスのない頭部固定を可能にする統合ヘッド固定メカニズムを可能にするように設計されています。固定機構の平らな形状と突起の欠如は、動物の視野または移動の障害を最小限に抑えることも保証し(図2A-Cを参照)、以前のシステム31,32よりも明らかに改善されている。ヘッドプレートに固定されるファラデークラウンとリングも、従来のデザインに比べて大幅に変更されました。現在では、その場しのぎの適応(コネクタの配置など)や手術中のはんだ付けが不要になり、インプラントの損傷やインプラント品質の予測不可能なばらつきの潜在的な原因が排除されます。その代わり、DREAMインプラントは、各コネクタを事前に定義された4つの位置のいずれかに配置できる複数の標準化されたクラウンリングのバリエーションを提供し、手術中のばらつきと労力を最小限に抑えます。最後に、プローブの回収のためにインプラントシステムを最適化することにより、DREAMインプラントは、マイクロドライブとプローブを通常一緒に回収、洗浄、再利用できるため、実験者はインプラントあたりのコストと準備時間を大幅に削減できます。
さまざまなインプラントシステムによってもたらされるトレードオフのより包括的な概要については、 表1を参照してください。ここで紹介するアプローチは、サイズ、安定性、コストなど、他のすべての戦略と比較して一般的に最大のパフォーマンスを提供するわけではありませんが、これらすべてのパラメーターで上限で動作するため、幅広い実験に容易に適用できます。
プロトコルの3つの側面は、それぞれの特定のユースケースに適応するために特に重要です:グランドとリファレンスのコンステレーション、マイクロドライブをセメントで固定する技術、ニューロン記録によるインプラントの検証。まず、グランドピンとリファレンスピンを埋め込む際の目標は、機械的/電気的安定性と侵襲性の間のスイートスポットを特定することでした。一方、例えば、寒天に埋め込まれた浮遊銀線は、骨ねじ33よりも侵襲性が低いが、それらは、時間の経過とともに外れる傾向がある可能性が高い。ピンの使用と寒天の組み合わせにより、安定した電気接続が保証されると同時に、挿入時の制御が容易で、組織の外傷を回避できるという利点があります。頭蓋骨にセメントで固定されたアースピンが外れる可能性は低く、ワイヤーがピンから分離した場合、埋め込まれたピンの表面積が大きく、安定性が高いため、通常、再取り付けは簡単です。
表 2: DREAM インプラントと Vöröslakos et al.21 によって記述されたインプラントとの間のコンポーネント重量の比較。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Table%202.xlsx" target="_blank">この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
次に、マイクロドライブのセメンチングは、通常、プローブを脳に挿入する前に行う必要があります。これにより、挿入時にマイクロドライブが定位ホルダーに完全に固定されていない場合に、脳内でのプローブの横方向の動きが防止されます。マイクロドライブを所定の位置に固定する前にプローブの配置を確認するには、プローブシャンクの先端を短時間下げて、顕微鏡の視差シフトを考えるとタッチダウン位置を外挿するのが難しいため、プローブシャンクの先端を短く下げて脳に接触する場所を確認できます。マイクロドライブの位置が確立されると、オプションで、マイクロドライブをセメントで固定する前に開頭術をシリコンエラストマーで保護して、セメントが誤って開頭術に接触しないようにすることができます。ただし、シリコーンエラストマーを介してプローブを下げることは、シリコーンエラストマーの残留物が脳に引き込まれ、炎症や神経膠症を引き起こす可能性があるため、お勧めしません。
第三に、使用される実験プロトコルに応じて、手術直後の検査記録が有用である場合とそうでない場合があります。主に、プローブ挿入直後に記録されたニューロン活動は、一時的な脳の腫れやプローブ周囲の組織の動きなどの要因により、慢性的に記録された活動を直接表していないため、挿入深さとスパイク波形の両方が直接安定する可能性は低いことを意味します。そのため、即時録音は、主に一般的な信号品質とインプラントの完全性を確認するのに役立ちます。可動式マイクロドライブスレッドは、脳が安定したら、手術後の数日間、位置を微調整するために使用することをお勧めします。これにより、プローブが1日あたり1000μm以上動くのを防ぎ、記録部位への損傷を最小限に抑え、記録部位の寿命を延ばすことができます。
最後に、ユーザーは、複数のターゲット位置から記録するようにシステムを適応させたいと思うかもしれません。このシステムはモジュール式であるため、ユーザーはコンポーネントを互いに関連付けて組み立てて配置する方法について多くの自由度があります(上記および 補足図3 および 補足図4を参照)。これには、水平方向に伸びたシャトルをマイクロドライブに取り付けることができる変更が含まれ、複数のプローブまたは大きなマルチシャンクプローブを埋め込むことができるだけでなく、複数の個別のマイクロドライブを埋め込むこともできます( 補足図3 および 補足図4を参照)。このような変更には、適合したクラウンリングを使用するだけで、コネクタ/インターフェースボード/ヘッドステージの取り付けゾーンの数が増えます。ただし、この設計のスペース制限は動物モデル(この場合はマウス)によって決定されるため、複数のプローブを1つのマイクロドライブに積み重ねる方が、複数のマイクロドライブを互いに独立して埋め込むよりもフットプリントの点で魅力的です。ここで使用されるマイクロドライブはスタックプローブをサポートできるため、唯一の実際の制限は、動物モデルによって定義されたスペースと重量の制約に適合できるヘッドステージまたはコネクタの数です。スペーサーを使用して、非垂直の取り付けおよび挿入パスをさらに増やすこともできます。
結論として、このプロトコルは、プローブの回復を優先するマイクロドライブ設計の利点に加えて、安価で軽量で、重要なことに調整可能なプローブの埋め込みを可能にします。これは、シングルユースプローブの法外なコスト、手術および移植技術の高い障壁、および慢性移植のための商用ソリューションが独自のユースケースに適応するのが難しいことが多いという事実の問題に取り組んでいます。これらの問題は、すでに急性電気生理学を使用している研究室にとっては問題点であり、電気生理学実験をまだ行っていない研究室にとっては抑止力となります。このシステムは、これらの制限を超えて慢性電気生理学研究の幅広い取り込みを促進することを目的としています。

<a href="https://app.jove.com/t/6665">This corrects</a> the article <a href="https://https://dx.doi.org/10.3791/66867">10.3791/66867</a>

An erratum was issued for:&#160;<a href="https://www.jove.com/t/66867">The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice</a>. The Authors&#160;section was&#160;updated.

Erratum: The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

慢性的に埋め込まれたシリコンプローブを用いた電気生理学は、その遺伝的および実験的扱いやすさから、行動する動物、特にマウスの神経活動と接続性を調査するための強力な技術として浮上しています1。特に層状シリコンプローブは、皮質カラム内の 機能的関係を同定し2、以前は不可能だった方法で大規模なニューロン集団のダイナミクスを行動に関連付けるための非常に貴重なツールであることが証明されています3。
2つの補完的なアプローチは、in vivoで神経活動を記録するための現在のゴールドスタンダードです:2光子顕微鏡4,5と細胞外電気生理学6。記録方法の選択は、取得できる読み出しの性質を制限します:二光子顕微鏡法は、経時的な大規模な集団における個々に識別可能なニューロンの縦断的研究に特に適していますが、高い機器コストに悩まされ、無傷の脳の皮質の表面層に限定されます。さらに、~30Hzの典型的な時間分解能は、進行中のニューロンダイナミクスを捕捉する能力を制限する7,8。
対照的に、電気生理学的記録は、ニューロンの活動を刻一刻と追跡するための高い時間分解能(最大40kHz)を提供し、種間だけでなく皮質の深さ全体にも広く適用でき、2光子顕微鏡と比較して比較的低コストのセットアップを備えています。しかし、個々のニューロンの同定や、ニューロン集団の縦断的追跡は困難です。これは特に、四極管などのワイヤー電極や、急性電極の挿入に当てはまります。記録セッション9全体でニューロンを追跡する能力を欠くだけでなく、急性挿入を繰り返すと、免疫応答11を開始する局所的な外傷10を引き起こし、感染や神経膠症の可能性を高める。これにより、最終的に、記録されたニューロン活動の安定性と実験動物の平均余命が減少し、急性電気生理学的記録を特徴とする縦断的研究の範囲がわずか数日に制限されます12。
慢性高密度シリコンプローブ記録は、急性電気生理学と2光子イメージングの優れた特性のいくつかを組み合わせることを目的としています。彼らは、2光子イメージングと比較して、個々のニューロンを識別する能力がわずかに低下するだけで、セッション間で神経集団のダイナミクスを追跡できます13。これらの記録は、記録された信号の空間配置と正確な時間分解能に高い柔軟性を提供するだけでなく、急性記録と比較して実験動物の寿命と健康状態を改善します14。さらに、急性記録とは対照的に、慢性電気生理学は単一の着床イベントのみを必要とし、感染および組織損傷のリスクを効果的に低減し、動物へのストレスを最小限に抑える15。これらの利点を総合すると、慢性電気生理学は神経系の組織と機能を調査するための強力なツールになります。
しかし、マウスに一般的に使用される慢性移植技術は、研究者が行動記録との適合性、インプラントの重量、インプラントの再現性、金銭的コスト、および全体的な使いやすさとの間に大きなトレードオフを強いることを余儀なくされています。多くのインプラントプロトコルは、プローブ16の再利用を容易にするように設計されておらず、個々の実験の実効コストを急激に上昇させ、したがって、一部の研究室が慢性的な電気生理学を使用することを財政的に困難にしている。また、社内で広範なプロトタイピングや設計作業が必要になることもよくありますが、そのための専門知識やリソースが存在しない可能性があります。
一方、統合インプラントシステム17 は、げっ歯類の慢性電気生理学に対してより広くアクセス可能な解決策を提供する。これらのシステムは、プローブを保持するマイクロドライブとインプラントの残りの部分を統合するように設計されており、インプラントの取り扱いと外科的処置を簡素化します。しかし、いったん埋め込まれると、このようなシステムはトップヘビーになり、実験者が異なるターゲット座標に柔軟に適応する実験者の能力を制限する可能性があります。多くの場合、その重量は小動物へのインプラントを妨げ、動物の動きを潜在的に損ない、ストレスを誘発します18。これは、体重制限がこれらのグループに影響を与える可能性が高いため、少年と女性のコホートに関する研究に不釣り合いに影響を与える可能性があります。
さらに、すべての統合システムが埋め込み後の電極位置の調整を可能にするわけではありません。これは、プローブの挿入19による神経膠症または瘢痕化、特に移植20後の最初の48時間において、記録されたニューロン活動の質を低下させる可能性があるため、関連性がある。プローブの挿入深さを微調整することで、シグナルインテグリティに対するこれらの悪影響を制限できます。したがって、一般にマイクロドライブと呼ばれるマイクロポジショニングメカニズムは、電極の数が多く長さに分散しているプローブでも有益です。
このようなトレードオフを克服するために、軽量で費用対効果の高いモジュール式ソリューションを提供することで、従来の設計の限界に対処するマウス用の新しい慢性電気生理学インプラントシステムを導入します。DREAMインプラントシステムは、マウスの典型的な体重の10%(~2.1g)未満の重量で設計されており、動物福祉を確保し、行動への影響を最小限に抑えます。DREAMインプラント設計の検証では、頭蓋骨に負荷がかかるとげっ歯類で大きな影響を受ける可能性のある移動運動などの行動主要指標への影響が最小限に抑えられていることが示されています。これは、動物の健康状態を高め、より病理学的に健全な実験を可能にすることにより、自由に動く動物と頭に固定された動物を利用する実験パラダイムに利益をもたらすことができます。
このシステムには、最大7 mmの記録深度を柔軟に調整できるマイクロドライブが含まれており、さまざまなタイプのプローブや記録デバイスに適合させることができ、研究者にさまざまな実験アプリケーション向けの費用対効果の高い汎用性の高いツールを提供します。このシステムは、金属製のマイクロドライブ21と日常的に組み合わされており、他のシステムと比較して一貫したプローブの回復を提供し(予想される平均回復率:プローブごとに約3回の信頼性の高い再利用)、個々の実験のコストを大幅に削減する。
この設計は、3Dプリントされた保護ファラデーケージを備えており、電気生理学的ノイズ、機械的衝撃、感染性物質から安価でありながら堅牢な保護を可能にし、感染率を最小限に抑えながら安定したノイズフリーの録音を可能にします。この埋め込み型ケージは、衝撃保護のために設計されたいわゆる「クラウン」と、ファラデーケージの導電性金属メッシュコーティングの構造を提供するように設計されており、埋め込み型アンプやプローブコネクタのマウントとして機能するクラウンリングで構成されています ( 図1を参照)。
最後に、モジュラーインプラントシステムに含まれるヘッドプレートは、インプラントに余分なかさばりを追加することなく、斬新で効率的な頭部固定システムと互換性があるように設計されています。他の既存のシステムとは対照的に、インプラントの近くで小さなネジを締める必要がないため、実験装置でのマウスの固定が速くなり、実験者と動物の関係が改善され、行動の順守も改善されます。同時に、ヘッドプレートは、DREAM慢性電気生理学システムの他のモジュールを構築するためのベースとして使用されます。
DREAMインプラントの設計ファイルは、https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ でオープンソースハードウェアとして公開されています。次のセクションでは、DREAMインプラントシステムの設計と製造について説明し、マウスモデルでの成功例を実証し、既存のシステムと比較したその潜在的なアプリケーションと利点について説明します。

<table><tbody><tr><td>0.05インチはんだテールソケット</td><td>ミルマックス</td><td>853-93-100-10-001000</td><td></td></tr><tr><td>1,1'-ジオクタデシル-3,3,3',3'- 試薬テトラメチルリンドカルボシアニン過塩素酸塩(「DiI」;DiIC18(3))</td><td>サーモフィッシャー</td><td>D282</td><td>プローブ位置の組織学的検証を容易にするために用いられる脂溶性染料</td></tr><tr><td>接着パテ(ブルータック)</td><td>ボスティック</td><td>308590110</td><td>バリエーション(例:プリットのもの)は文房具店で入手できるはずです</td></tr><tr><td>寒天</td><td>シグマ・オルドリッチ</td><td>A1296</td><td>伝導性を高めるために生理食塩水を使ってください。</td></tr><tr><td>アンプ(Miniamp-64)</td><td>ケンブリッジ・ニューロテック</td><td></td><td>ミニチュアで埋め込み型のアンプとデジタイザー。代替の埋め込み型デジタルタイザーや埋め込み型オムネティクスコネクターの使用が可能です。</td></tr><tr><td>鎮痛クリーム(EMLAクリーム)</td><td>アスペン</td><td>39699/0088</td><td>手術用の痛み止めクリームで、プリロカイン、リドカインを含む。</td></tr><tr><td>角度付きスペーサー</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>非垂直ドライブ取り付け用の角度付きスペーサー...オープンソース、https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ でも入手可能です</td></tr><tr><td>ブルーライト硬化LEDです</td><td>B.A.インターナショナル</td><td>818223</td><td>プライマー重合のための硬化光。波長は420〜480 nm</td></tr><tr><td>骨ワックス</td><td>SMI</td><td>Z046</td><td>開頭術や手術後のプローブを保護するためのワックス。</td></tr><tr><td>ブプレノルフィン</td><td>エランコ・ヨーロッパ株式会社</td><td>401513</td><td>注射型ブプレノルフィン溶液(0.3 mg/mL)</td></tr><tr><td>銅メッシュ</td><td>デクスメット</td><td>3CU6-050FA</td><td>銅メッシュはプローブや開頭切開を電気的・物理的に遮蔽するために使われています。</td></tr><tr><td>シアノアクリレート接着剤(ロクタイト)</td><td>ロックタイト</td><td>1363589</td><td>シアノアクリレートゲルグルー</td></tr><tr><td>デンタルセメント(SuperBond C&;B)</td><td>サン・メディカル</td><td>K058E</td><td>デンタルセメント(SuperBond)</td></tr><tr><td>脱毛クリーム(Veet)</td><td>ヴェート</td><td>310000091434</td><td>手術部位周辺の毛を除去するための脱毛クリーム。</td></tr><tr><td>エンロフロキサシン(ベイトリル)</td><td>エランコ・ヨーロッパ株式会社</td><td>00879/4117</td><td>注射用エンロフロキサシン溶液(25 mg/mL)</td></tr><tr><td>ファラデークラウン</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>3Dプリントされた埋め込み型保護ケージ。オープンソース、https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ でも入手可能です</td></tr><tr><td>ファラデーリング</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>ファラデーケージ用の3Dプリント埋め込み型保護リング。オープンソース、https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/ でも入手可能です</td></tr><tr><td>止血スポンジ</td><td>SMI</td><td>ZHG101010</td><td>吸収性ゼラチン止血スポンジ</td></tr><tr><td>ヒートシュリンクチューブ</td><td>ヘラーマンタイトン</td><td>TA32-9/3 BK</td><td>軟い先端の鉗子を作るためのヒートシュリンクチューブ</td></tr><tr><td>ヨウ素</td><td>ブラウノール</td><td>9322507</td><td>水性ポビドンヨウ素溶液。</td></tr><tr><td>メタミゾール(ノバルギン)</td><td>サノフィ・アベンティス有限会社</td><td>4527098</td><td>注射型メタミゾール(500mg/mL)</td></tr><tr><td>メタミゾール(ノバルギン)</td><td>サノフィ・アベンティス有限会社</td><td>1553758</td><td>メタミゾール溶液</td></tr><tr><td>マイクロドライブ(R2ドライブ)</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>可動シャトル付きの回収可能な金属マイクロドライブ。オープンソース、https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/でも利用可能です。</td></tr><tr><td>ミネラルオイル</td><td>シグマ・オルドリッチ</td><td>M5310-100ML</td><td>開頭手術保護ジェルを作るために溶剤として使われるオイル。</td></tr><tr><td>抜け毛防止ワイプ(キムテック)</td><td>キムテック</td><td>7552</td><td>抜け毛のないワイプ</td></tr><tr><td>プライマー</td><td>ビスコ</td><td>B-7202P</td><td>ユニバーサルスカル接着剤は、湿気によるセメントの劣化を防ぎ、セメントを厚重に積み重ねるためのしっかりとした基盤を提供します。</td></tr><tr><td>R2ドライブホルダー</td><td>3DNeuro</td><td></td><td>R2ドライブの取り付け用の立体定位アタッチメント。オープンソース、https://buzsakilab.github.io/ 3d_print_designs/でも利用可能です。</td></tr><tr><td>自己接着式ラップ</td><td>3歳</td><td>VB050</td><td>手術後のインプラント用保護ラップ</td></tr><tr><td>シリコンプローブ(H2)</td><td>ケンブリッジ・ニューロテック</td><td></td><td>32チャンネルの慢性埋め込み可能なリニアシリコンプローブ。代替プローブの使用も可能です。</td></tr><tr><td>シリコーンエラストマー(デュラゲル)</td><td>ケンブリッジ・ニューロテック</td><td></td><td>シリコーンエラストマー</td></tr><tr><td>シリコーンプラスター(Kwikcast)</td><td>WPI</td><td>クイックキャスト</td><td></td></tr><tr><td>銀導電性エポキシ</td><td>MGケミカルズ</td><td>8331D-14G</td><td>シルバーエポキシ</td></tr><tr><td>サイズ5 デュモン鉗子</td><td>FSTools</td><td>11251-10</td><td>骨のフラップを持ち上げるための小さな鉗子。</td></tr><tr><td>ステンレス鋼線、テフロンコーティング</td><td>サイエンスプロダクツ GmBH</td><td>SS-3T</td><td>グラウンド線</td></tr><tr><td>ステレオタックス(RWD)</td><td>後輪駆動</td><td>68803</td><td>マウスの外科手術のためのステレオタックス。</td></tr><tr><td>テルガザイム</td><td>アルコノックス</td><td>1304</td><td>クリーニング用の酵素クリーナーの可能性</td></tr><tr><td>2成分速硬化エポキシ樹脂</td><td>ゴリラ</td><td>エピソード3</td><td>DREAMインプラント部品の永久接着にはエポキシ。</td></tr><tr><td>Vannasスプリングシザーズラウンドハンドル</td><td>FSTools</td><td>15403-08</td><td>0.075mmのストレートチップスプリングリバウンド獣医用ハサミ。</td></tr><tr><td>獣医用シアノアクリレート接着剤(Vetbond)</td><td>3歳</td><td>70-0068-5256-3</td><td>獣医用シアノアクリレート接着剤</td></tr></tbody></table>

dreamインプラント:頭部固定マウスと自由行動マウスの慢性電気生理学のための軽量でモジュール式で費用対効果の高いインプラントシステム

The DREAM Implant: A Lightweight, Modular, and Cost-Effective Implant System for Chronic Electrophysiology in Head-Fixed and Freely Behaving Mice

げっ歯類の慢性的な電気生理学的記録は、ニューロンのダイナミクスとその行動関連性についての理解を大幅に改善しました。しかし、プローブを慢性的に埋め込むための現在の方法では、コスト、使いやすさ、サイズ、適応性、および長期安定性の間に大きなトレードオフがあります。
このプロトコルは、現在利用可能なオプションに関連するトレードオフを克服するように設計された、DREAM(Dynamic、Recoverable、Economical、Adaptable、およびModular)と呼ばれるマウス用の新しい慢性プローブインプラントシステムを導入します。このシステムは、標準化されたハードウェア要素を組み合わせた、モジュール式で費用対効果の高いソリューションを提供し、簡単な手順で組み合わせて埋め込むことができ、プローブの回収と複数回の再利用のために安全に抽出できるため、実験コストを大幅に削減できます。
DREAMインプラントシステムは、3つのハードウェアモジュールを統合しています:(1)すべての標準シリコンプローブを運ぶことができるマイクロドライブにより、実験者は最大7mmの移動距離で記録深度を調整できます。(2)電気シールド、衝撃保護、およびコネクタ配置のための銅メッシュで覆われたウェアラブルファラデーケージの3次元(3D)プリント可能なオープンソース設計、および(3)動物福祉の向上と使いやすさのための小型化された頭部固定システム。対応する手術プロトコルは、速度(合計時間:2時間)、プローブの安全性、および動物福祉のために最適化されました。
インプラントは、動物の行動レパートリーへの影響が最小限に抑えられ、自由に動いたり頭を固定したりした状況で容易に適用でき、インプラント後の数週間のデータ収集において、明確に識別可能なスパイク波形と健康なニューロン反応を提供しました。感染症やその他の手術合併症は非常にまれでした。
このように、DREAMインプラントシステムは、マウスの慢性電気生理学のための汎用性と費用対効果の高いソリューションであり、動物の健康を向上させ、より倫理学的に健全な実験を可能にします。その設計により、さまざまな研究ニーズにわたる実験手順が簡素化され、げっ歯類の慢性電気生理学が幅広い研究ラボにアクセスできるようになります。

このプロトコルは、研究者が行動するマウスに軽量で費用対効果が高く、安全な慢性電気生理学記録を実装できるようにする慢性移植システムを示しています(図1)。このアプローチの適用が成功するかどうかを決定する主な要因には、頭蓋骨の完全なセメント被覆、低侵襲で適切に保護された開頭術、マイクロドライブと配線の頭蓋骨への安全な取り付け、および保護ファラデー材料の完全な連続性が含まれます。これらのポイントを考慮すると、高品質の録音に一貫して到達できます。ここでは、手術の成功の次の主要な側面に関連する代表的な結果を示します。
1) インプラントは動物の行動や健康を妨げていますか? 2) 信号品質は高く、長期間にわたって信号を維持できるか? 3) 録画をタスクのパフォーマンスと簡単に組み合わせることはできますか?
インプラントが動物の行動に与える影響を評価するために、移植された5匹の動物の追跡された移動パターンを分析しました。 図2A は、移植の10分前と移植後1週間、プレイケージ内を自由に移動する動物の例を示しています。動きのパターンが変わらないことがわかります。この観察結果は、動物間の移動速度と頭の方向の分布を示す 図2B、C によって確認されています。着床前と移植後では、走行速度と頭の向きはほとんど変わらず、どちらかといえば、手術後に走行速度がわずかに上昇したように見えました。 補足ビデオ1 は、着床手術の6日後の動物の短いビデオ録画を示しています。移動、グルーミング、飼育、家庭環境での採餌などの典型的なホームケージの行動はすべて目に見え、手術からの回復が成功し、一般的な健康状態を示しています。インプラントの行動への影響が少ないのは、その軽量性と扱いやすい高さによるものと思われます。
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig02.jpg"> 図2:手術前後の移動運動 (A)移植前(左パネル)と移植後(右パネル)の動物の移動例。x / y座標はセンチメートルで、ポイントは10分間の各時点における動物の位置を示します(B)5匹の動物に移植前の5セッションと移植後の3セッションの移動速度の分布(cm / s)。(C) (B) で分析したのと同じセッションについて、異なる方向への移動の確率のカーネル密度。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig02large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
次に、ローカル電界電位(LFP)の信号品質と、記録サイト間のスパイク活動を評価します。ここでは、一次視覚野(V1)の皮質記録からの代表的なデータを示します。検証のために、Kilosort 3を使用して、覚起しているマウスのV1に記録された広帯域ニューロン信号から推定される単一ユニット活性を抽出しました( 図3を参照)。 図3A はプローブシャンク上で抽出された単一ユニットの位置を示し、 図3B は対応するスパイク波形を示し、 図3C は電流源密度(CSD)プロトコルに対する同じニューロンのスパイク応答を示しています。このパラダイムでは、広視野フラッシュを1Hzの周波数で300msの持続時間(すなわち、300msオン、700msオフ)で200回にわたって提示しました。最後に、 図3D は、灰色の背景にランダムに選択された黒と白の正方形の2000フレームで構成され、それぞれが16.6ミリ秒にわたって提示された、視覚的受容フィールドマッピングプロトコルに対する同じユニットの応答を示しています。正方形はそれぞれ12度の視角をカバーし、マッピングパラダイムが合計で-90〜+90度の方位角と-30〜+40度の仰角の視覚空間をカバーするように、15 x 5の可能な位置のフィールドから選択されました。各刺激フレームに対する発火率応答は、40〜140ミリ秒の遅延を条件とする16.6msのウィンドウ全体の最大発火率を分析することによって抽出され、各ウィンドウの最大活性に基づいてチャネルごとに最適であると特定されました。このタイプの記録は、各電極の挿入深さの調整をガイドし、インプラント手術後の信号品質を評価するために使用できます。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig03.jpg"> 図3:記録されたニューロン信号。 (A)プローブの電極接点に沿ったKilosort 3スパイクソーティングパッケージによってソートされた単一ユニットの推定位置。(B)Aに示されているのと同じ単位の5msの時間にわたるスパイク波形。細い線:個々のスパイク波形。太い線:平均スパイク波形。(C)電流源密度(CSD)パラダイムに応答したスパイクのラスタープロットで、300ミリ秒の広視野フラッシュとそれに続く700ミリ秒のブラックスクリーンが表示されます。回答は、AおよびBと同じ単位で表示されます。重ね合わされた色付きの線は、同じ応答の刺激周囲時間ヒストグラム(PSTH)を表します。PSTHの発火率は10msビンで計算され、PSTH全体の最大発火率で正規化されました。時間 0 は、広視野フラッシュ刺激を中心としています。(D)スパースノイズ受容フィールドマッピングパラダイムによって測定された、ACと同じユニットの推定受容フィールド。各プロットは、白と黒の四角形の刺激の開始(左パネル)またはオフセット(右パネル)に応答した、16.6msの分析ウィンドウにわたる平均発火率アクティビティを示しています。刺激は、水平方向に180度、垂直方向に70度の視角にまたがる5×15の正方形のグリッド全体にランダムに配置され、16.6ミリ秒の持続時間で提示されました。発火率活動は、受容野グリッド全体にわたってzスコア化されました(カラーバーを参照)。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig03large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
録音品質は、数週間から数か月にわたって繰り返し録音しても高いままでした。図4Aは、15週間にわたる1匹の動物の縦断的LFP記録を示しています。LFPは、上記のCSDパラダイムに対応して記録されました(図3A-Cを参照)。図 4A は、フラッシュ開始から 500 ミリ秒後の平均 LFP 応答を示しています。この例では、電極間距離が25μmの32チャンネルのリニアプローブを使用しました。18日目に、プローブの深さを調整し、プローブを600μm下方に移動させたことに注意してください。この調整の前後でも、LFP信号は録音日間で安定していました。
これと一致して、推定される単一ユニットのスパイク波形は、多くの録音で識別できました。 図4B は、1か月にわたる3つの録音セッションからの代表的なスパイク波形の例を示しており、1つのユニットのアクティビティが時間の経過とともに正常に識別できることを示しています。 図4C は、最大100日間のウィンドウにわたる6匹の動物の慢性記録から抽出された推定される単一ユニットの総数を示しています。単一単位は、キロソート 3.0 のデフォルト基準に従って定義されました ( 補足表 1 を参照)。ご覧のとおり、明確に定義された単一ユニットの数は、通常、着床後1週間で~40に達し、その後徐々に減少し、~20ユニットの明らかに安定した漸近線に向かって移動しました。これらの記録が線形32チャンネルプローブを使用して行われたことを考えると、これは、注入直後の電極あたり約1.25単一ユニットの期待収率に相当し、長期記録では電極あたり約0.65単一単位に減少します。アンプ/コネクタを保持するファラデークラウンは、標準コネクタに必要な最大嵌合力よりも桁違いに大きい10ニュートンを超える繰り返しの力に耐えることができるため、セッション中にインプラントのアンプ/コネクタに繰り返し接続しても、録音品質やインプラントの安定性に影響を与えるようには見えませんでした( 補足ビデオ2を参照)。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig04.jpg"> 図4:ニューロン記録の経時的な安定性。 (A)移植後3〜110日で慢性的に移植されたプローブの32チャネルすべてで示された、広視野フラッシュCSD刺激に応答した平均LFP活性。赤い縦線は、手術後18日目までに脳の外部からチャンネル0〜8が記録されるため、プローブが新しい位置に下げられていることを示しています。(B)同じ慢性インプラントからの3つの例のユニットのスパイク波形を4週間にわたって繰り返し記録した。細い線:個々のスパイク波形。太い重ね線:平均スパイク波形。(C)6匹の動物の記録日間でKilosort 3によって検出された推定単一ユニットの数(挿入図の凡例を参照)。赤い四角は、プローブが移動した日を示しています。点線は、これらの記録で使用されたインプラントあたりの電極の数を示しています(32)。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig04large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
最後に、マイクロドライブ、ウェアラブルファラデーケージ、インプラントベースと頭部固定用デバイスを兼ねるヘッドプレートを含むモジュラーシステムを提供することにより、このプロトコルは、慢性電気生理学と頭部固定行動の統合を可能にします。ここでは、球状トレッドミルで仮想環境を横断するマウスのデータ例を示します。 図5A は、例の試行における20ユニットのランニング関連のスパイク活動を示しています。 図5B は、個々のスパイクソートユニットの走行速度とスパイク活動との間の多様だが頑健な関係を示しており、 図5Cの同じ効果の集団平均を示しており、げっ歯類V124のニューロン活動に対する自発運動活動の十分に確立された効果を確認しています。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/66867/66867fig05.jpg"> 図5:頭部固定行動中のニューロン反応 (A)例の試行における単一ユニットの反応のラスタープロットで、走行速度(紫色の線)とすべての単一ユニットの平均発火率(水色の線)を重ね合わせたもの。(B)異なる走行速度カテゴリーでの単一ユニットの活動、6つの例で示されています。(ハ) 1つのサンプルセッションにおけるすべての単一ユニットの平均スパイクアクティビティを、走行速度分布の5つの五分数にわたってプロット。このセッションでの走行速度は、0〜0.88メートル/秒の範囲でした。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/66867fig05large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。</a>
補足表1:図3、図4、および図5に示す記録で単一のユニットを識別するときにKilosort 3が使用するデフォルトパラメータを示す表。<a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Table%201.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ビデオ1:移植後の動物の自発運動を示すビデオ。 5日間の回復期後に撮影されたビデオは完了し、正常な自発運動行動と、インプラントのサイズと重量への適応を示しています。動物は、環境エンリッチメントを含むプレイケージを普通に探索しているのを見ることができます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20video%201.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足ビデオ2:組み立てられたファラデークラウンに力が加えられているビデオ。 ファラデークラウンが耐える力は、4ピン分極ナノコネクタなどの標準コネクタに必要な接続力よりも約1桁大きいです。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Video%202.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足図1:ドライブホルダーの画像を示す図。 印刷可能なデザインファイルは、対応するGithubリポジトリ(https://github.com/zero-noise-lab/dream-implant/)にあります。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%201.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足図2:銅メッシュのテンプレート。 元のスケーリングでテンプレートを印刷し、ステンシルを使用して銅メッシュを切り抜きます(手順2.12)。スケールバーを使用して、プリントのスケーリングを確認し、必要に応じて調整します。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%202.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足図3:手術中のインプラントの組み立て手順を示す写真シリーズ。 この場合、2つのマイクロドライブと2つのアンプが取り付けられています。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%203.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>
補足図4:マウスの頭蓋骨の図で、ドライブ、開頭術(緑)、GND/REFピン(赤)の配置例が示されています。 ピンの位置は、皮質の記録を妨げる可能性が低い小脳に配置されているため、推奨されます。 <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/66867/Supplementary%20Figure%204.zip" target="_blank">このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。</a>

ここでは、使いやすさ、プローブの回収率、実験の汎用性、および行動との適合性が最適化された、げっ歯類の慢性電気生理学用の軽量で費用対効果の高いプローブインプラントシステムを紹介します。

DREAMインプラント:頭部固定マウスと自由行動マウスの慢性電気生理学のための軽量でモジュール式で費用対効果の高いインプラントシステム

Chronic electrophysiological recordings in rodents have significantly improved our understanding of neuronal dynamics and their behavioral relevance. ...

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Research

JoVE Journal

Neuroscience

神経科学

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マウスの電気生理学的記録のための設計と超軽量重量の作製、調整可能なマルチ電極プローブ

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我々は、同時神経記録と刺激機能を搭載した光ヘッドプリアンプシステムを設計し、構築するために低コストの手法を提案する。このデバイスは、水泳、動物での使用のために防水することができます。...

水迷路における同時神経刺激および記録のためのコスト効率のヘッドステージの設計と構築

神経制御および認知プロセスは、眼球運動を介して研究することができる。 VisualEyesソフトウェアは、オペレータが、独立して、単純な、カスタムスクリプト言語を使用して2つのコンピュータ画面上に刺激をプログラムすることができます。システムは、タンデム眼球運動（サッカードと円滑追跡）、または反対の眼の動き（輻輳）、または任意の組み合わせを刺激することができる。...

VisualEyes：眼球運動実験のためのモジュラ式のソフトウェアシステム

我々は、操られた音響信号と小鳥の自然聴覚フィードバックを交換するのに適した小型化されたヘッドフォンの設計と組立を説明します。オンライン音声処理ハードウェアは、歌の出力を操作するヘッドフォンを介して聴覚フィードバックにおけるリアルタイムエラーを導入すると、ボーカルの運動学習を駆動するために使用される。...

鳴禽類には聴覚フィードバックを操作するための軽量、ヘッドフォンベースのシステム

動作マウスにおける海馬シータ振動 (5-10 Hz) の選択を操作する光遺伝学、電気生理学的記録の使用について述べる。リズムの同調性は、ローカル フィールド...

行動するマウスにおける海馬シータ振動の光同調

人工内耳装用の動物モデルは、電気刺激で永久的な難聴の治療の技術基盤の知識を進めることができます。本研究は、急性耳をつんざくと聴性脳幹反応と機能性の評価と同様に、マウスで電極アレイの人工内耳の手術のプロトコルを示します。...

人工内耳手術と c57bl/6 マウスに電気的誘発脳幹の応答録音

提案するプロトコルは、長期的な学習の勉強を目的とした実験のための永続的な感覚の衝突を生成します。完全に頭に固定装置を装着、によってマウスはホーム...

自由に行動するマウスで長期的な感覚の衝突

学ぶ軽量モジュール式インプラントシステムを用いたマウスとマカクの慢性電気生理学。自然行動中の神経活動記録により意思決定の神経メカニズムを解明し、行動神経科学の研究を支援します。

DREAMインプラント:頭部固定マウスと自由行動マウスの慢性電気生理学のための軽量でモジュール式で費用対効果の高いインプラントシステム

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